基于高速铁路路基冻胀的轮轨动力响应研究

季节性冻土区高速铁路无砟轨道路基冻胀,影响了列车运行的安全性、舒适性以及无砟轨道主体结构的服役性能。为研究路基冻胀和高速行车荷载组合效应下的轮轨动力响应,建立了车辆-轨道-路基冻胀耦合动力学模型,对路基不同冻胀幅值、冻胀位置和行车速度下CRTSⅠ型板式无砟轨道轮轨动力响应及轨道结构受力进行分析。结果表明:冻胀发生区段轮轨动力响应增大,列车以350 km/h运行时的安全性和舒适性满足冻胀管理标准要求,但轮轨力随冻胀幅值和速度的增加而增大;轨道板和底座板振动加剧,在计算冻胀波长和幅值范围内,离缝处轨道板振动加速度峰值超过动态验收标准要求,容易引起离缝处CA砂浆层及路基基床表层伤损破坏,且轨道板、底座板振动加速度随行车速度增加而增大;轨道结构动应力和列车荷载传递关系密切,路基冻胀状态下列车荷载引起轨道板和底座板处于交替和交变的拉压受力状态,需要在设计中提出控制裂纹的措施,行车速度对短波冻胀时轨道结构受力影响较小。     

轨道随机不平顺影响下高速铁路地基动力分析模型

考虑轨道随机不平顺影响,建立了移动车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。模型中,将虚拟激励法和解析的波数-频率域法有效结合起来,直接由轨道不平顺的功率谱密度得到准确的动态轮轨力功率谱。将移动列车轴荷载和轨道随机不平顺引起的动态轮轨力考虑为傅里叶级数表示的谐波叠加形式,根据线性系统叠加原理,求得地基动力响应功率谱估计值与时程结果。利用在波数域内直接计算位移频谱、划分合适谐波区间等技术,显著提高了随机振动响应功率谱和时程的计算效率。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度时程与频谱的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。     

基于随机有限元的无砟轨道服役可靠性分析

无砟轨道结构的服役可靠性是影响高速列车的行车安全的关键性因素之一。采用随机有限元和人工智能混迭建模的方法分析轨道不平顺对无砟轨道服役的可靠性影响;通过轮轨动力学随机因素构建无砟轨道服役极限状态方程,利用有限元理论建立CRTS II型板式无砟轨道单元模型和CRH 3车辆单元模型,采用交叉迭代法进行求解;将实测轨道不平顺数据作为输入,轮轨动力学响应作为输出,采用三层BP神经网络模型进行轮轨关系的映射,并与有限元蒙特卡洛联合建模,计算轨道不平顺作用下的无砟轨道服役可靠性及失效概率;利用实测轨道不平顺数据进行轨道谱的拟合与反演,将混迭建模结果与传统计算结果进行比较分析。结果表明:采用混迭模型计算的结果可以有效地表征无砟轨道服役的可靠性,建议采用此方法进行相应的无砟轨道结构服役安全性检算。     

基于车-桥随机振动模型的简支梁桥墩顶垂向动反力特征研究EI北大核心CSCD

为研究高速铁路简支梁桥墩顶垂向动反力的随机性特征,基于虚拟激励法和有限元方法,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统竖向随机振动模型。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统列车模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道高低不平顺转化为一系列简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该计算模型,以五跨32 m预应力混凝土简支箱梁桥为研究对象,研究了轨道不平顺和车速对墩顶垂向动反力随机特征的影响。结果表明:墩顶垂向动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对其影响显著;不同轨道不平顺随机激励下墩顶动反力均方根(σ)不同,基于3σ法得到的限值(μ±3σ)相差较大;随着车速的增大,墩顶动反力均方根(σ)逐渐增大。     

基于车-桥随机振动模型的简支梁桥墩顶垂向动反力特征研究

为研究高速铁路简支梁桥墩顶垂向动反力的随机性特征,基于虚拟激励法和有限元方法,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统竖向随机振动模型。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统列车模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道高低不平顺转化为一系列简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该计算模型,以五跨32 m预应力混凝土简支箱梁桥为研究对象,研究了轨道不平顺和车速对墩顶垂向动反力随机特征的影响。结果表明:墩顶垂向动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对其影响显著;不同轨道不平顺随机激励下墩顶动反力均方根(σ)不同,基于3σ法得到的限值(μ±3σ)相差较大;随着车速的增大,墩顶动反力均方根(σ)逐渐增大。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

基于随机振动模型的重载铁路拱桥吊杆应力冲击系数研究

为研究重载列车动力荷载作用下大跨度中承式拱桥吊杆的应力冲击系数问题,提出了基于车-线-桥耦合动力学和虚拟激励法的吊杆随机动应力分析方法。采用多体动力学理论建立具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统车辆模型;采用有限元方法建立轨道-桥梁有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-轨道-桥梁耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性的时间历程问题,建立了列车-轨道-桥梁耦合时变系统随机振动计算模型。基于该模型,以蒙华重载铁路某中承式拱桥为研究对象,研究了不同位置吊杆应力冲击系数的不均匀性,并分析了车速和轨道不平顺等级对吊杆应力冲击系数的影响规律。结果表明:吊杆动应力均方根峰值和应力冲击系数受轨道随机不平顺激励和车速的影响显著,并均随着轨道不平顺等级的降低而增大;吊杆最大动应力均值受车速影响较小。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

钢弹簧浮置板隔振器垂向动反力随机振动特征研究

为研究地铁浮置板轨道(FST)钢弹簧隔振器的垂向动反力(DRF)的随机性特征,采用有限元法与虚拟激励法(PEM),建立了列车-浮置板轨道(T-FST)耦合系统垂向随机振动计算模型。采用多刚体动力学建立列车模型;采用有限元方法建立浮置板轨道有限元模型;基于等效Hertz线性轮轨接触关系建立列车-浮置板轨道耦合系统动力学方程。通过虚拟激励法将非平稳随机振动问题转化为确定性时间历程问题,推导了列车-浮置板轨道耦合时变系统随机振动计算模型。基于该模型,计算研究了钢弹簧隔振器垂向动反力的随机特征。研究表明:钢弹簧隔振器动反力受列车轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺随机激励对钢弹簧隔振器动反力影响较小;不同轨道不平顺对钢弹簧隔振器动反力功率谱主频分布影响不显著;钢弹簧隔振器动反力统计参数随着车速的增大而增大。     

城市轨道交通“公轨合一”型高架桥车桥耦合振动分析

对某"公轨合一"型高架桥进行了汽车-列车-桥梁耦合振动分析。利用薄板单元和梁单元建立了桥梁的有限元模型,推导了17自由度可以考虑列车车体空间效应的整车垂向模型,引入轨道不平顺因素,轮轨关系假定为密贴,列车-桥梁耦合系统采用分离迭代法求解,利用ANSYS平台和自主编制的FORTRAN计算程序实现,汽车荷载采用移动常力模型,分析了不同工况下车桥子系统之间的影响,同时还讨论了轨道不平顺因素对该车桥耦合系统的影响。结果表明:该文所研究桥梁模型的上部公路部分和下部轨道部分各自通行车辆荷载时相互之间的影响很小,作者认为在做该桥梁的强度设计时,可以忽略上下部分的耦合影响;同时,对于该文模型,当列车车速为低速时(60 km/h),轨道不平顺因素对于桥梁跨中位移的影响很小,因而在做桥梁强度设计时,列车荷载可按轴荷取值而忽略轨道不平顺带来的动态效应。该结论可供同类桥梁设计时作为参考。     

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。     

运行列车引起地面振动的理论模型及振动特性分析

根据车辆动力学、轨道动力学及地基土振动Green函数,建立了列车-轨道-地基土相互作用理论分析模型.该模型不仅考虑了车辆自身的振动,而且考虑了由轴重荷载组成的准静态激励力和单一波长轨道不平顺引起的轮轨问动态激励力.列车模型、轨道模型和地基土模型之间分别通过轮对-钢轨之间的Hertz接触和轨枕-地基土的动力平衡关系进行耦合.根据该模型通过-算例对地面的振动特性进行了分析,并通过移动的单位常力荷载和单位简谐荷载作用下的地面振动分析了车速和地基土特性的影响.计算结果表明,运行列车引起的地面振动特性与荷载移动速度和地基土特性紧密相关,列车移动速度线和地基土频散曲线的相交频率是引起地面振动放大的一种共振频率;运行列车存在临界速度,且临界速度接近地基土模型中的最小表面波波速;轮轨接触表面不平顺引起的动激励力振源对地面振动的高频成分产生较大的影响.     

撞击荷载作用下高速铁路桥梁的动力响应及列车运行安全分析

建立了“列车-桥梁-撞击荷载”系统动力分析模型,通过在松花江大桥进行的现场试验,得到了流冰撞击力时程,施加到桥墩上作为系统的激励。编制了分析程序,以高速铁路5×32m预应力混凝土简支单线箱梁桥为算例,通过计算机模拟,对流冰撞击作用下桥梁结构的动力响应及桥上高速列车的运行安全问题进行了研究。分析了在有流冰、无流冰撞击作用两种情况下,桥梁结构关键部位的位移和加速度响应,以及桥上高速运行列车的车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标。计算结果表明:流冰撞击作用对桥梁结构以及高速列车的动力特性具有较大的影响,撞击作用使桥梁和车辆的动力响应大幅度增大。当流冰撞击荷载峰值达到4000kN时,车辆减载率已经超过了0.6的限值。撞击荷载作为一项特殊的作用力,在高速铁路桥梁的动力设计中应予以重视。     

地震作用下车辆-轨道系统轮轨动态响应试验研究

为研究地震作用下高速铁路地震预警阈值,进行准静态全尺寸车辆-轨道模型振动台试验研究,对车辆轨道模型施加正弦地震波,试验结果显示《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所规定的轮重减载率限值和脱轨系数限值可能偏于保守,且导致列车脱轨的原因是由于地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动,引起车轮发生水平向晃动,致使车辆发生侧向滚摆运动所造成的;接着对车辆轨道模型施加实测地震波,试验结果表明地震波频谱特性对列车运行安全有一定的影响;对车辆轨道模型同时施加水平向和垂向地震波,发现对车辆轨道系统动力响应影响较大的为水平向地震波,垂向地震波则对其影响较小;根据振动台试验模型建立与之对应的多刚体、多自由度三维车辆-轨道数值模型,研究当考虑轨道不平顺时,地震作用下不同车速对列车轮动动力响应的影响,通过数据分析表明,在一定范围内,地震作用下的列车脱轨与列车速度关系不大,为高速铁路地震预警阈值的研究提供了一定的理论依据。     

重载列车过桥时桥梁的垂向动力分析

本文建立了具有6个自由度重载列车的车辆振动分析模型和重载铁路桥梁的梁段单元模型,通过轮轨接触处的位移协调条件与轮轨相互作用力的平衡关系建立了重载车辆-桥梁系统耦合运动方程,采用迭代求解,编制了重载铁路车-桥耦合振动分析程序。对影响重载铁路简支梁桥的跨中挠度的各种因素进行了分析,分析结果表明：列车的轴重、速度、加速度、减速度及轨道不平顺对重载铁路桥梁的跨中挠度和竖向加速度有着重要影响。     

列车-轨道时变系统横向振动能量随机分析方法

根据大量客、货车构架实测蛇行波及德国高速机车轮对横向摇摆力的测试资料,基于随机振动理论模拟出一般车速及高速构架人工蛇行波,分别以构架人工蛇行波及前苏联规律性的竖向不平顺函数为横向及竖向激振源,对列车－轨道时变系统横向随机振动进行计算。计算结果与实测结果的接近验证了本文方法的可行有效性。     

铁路新型钢-混凝土组合桁架桥在列车作用下的动力响应分析

对一种由三角形桁架和混凝土槽形板组成的铁路新型钢－混凝土组合桁架桥建立了车－桥动力相互作用空间分析模型,它由车辆模型和有限元桥梁模型组合而成,以轨道不平顺作为系统的自激激励源。以西安－平凉铁路上的马屋泾河特大桥主桥为工程背景,对这种新型钢-混组合结构的车桥耦合振动进行了动力仿真分析。对桥梁在重载货车、中速客车、高速客车等不同列车荷载工况下的动力响应进行了数值计算,并对桥上车辆的走行性能进行了评价。计算结果表明：该桥式方案能够满足三种类型列车在不同等级车速范围内安全、舒适的运行,可广泛用于我国货运、普通客运及高速铁路     

地震作用下铁路斜拉桥动力响应及行车安全性研究

为研究高速铁路斜拉桥在地震作用下的车-桥耦合动力响应及列车走行性能,以新建杭长客专铁路长沙段（112 m+80 m+32 m）槽型截面独塔斜拉桥为研究对象,利用车-线-桥耦合动力学分析软件TRBF-DYNA建立了考虑地震作用的列车-轨道-桥梁耦合系统空间动力分析模型。采用等效荷载法计算轨道-桥梁子系统的地震响应,通过考虑拟静力位移分量,将钢轨相对地震响应转化为绝对坐标系下动力响应,最终通过空间轮轨滚动接触模型将地震作用传递至车辆子系统。对比分析了不同列车运行速度和不同地震强度条件下桥梁、列车动力响应的变化规律,评估了列车行车安全性能。结果表明:地震对列车运行安全性有显著影响,根据我国规范可判断列车在7度、8度、9度多遇地震下的安全行车速度阈值分别为200 km/h、180 km/h和140 km/h;根据轮轨接触评判准则,在80 km/h~240 km/h的行车速度范围内,在7度、8度和9度多遇地震下轮轨相对位移仍在安全范围内。     

铁路桥梁列车制动力的试验研究与计算分析

列车制动力是作用于铁路桥梁结构设计的重要荷载之一。通过对货运机车车辆制动参数和制动特性的试验研究,对列车单元车体最大制动力进行了理论分析和计算;编制了计算程序ZDL,通过对我国不同长度的现营重载货运列车编组的动力计算,得到了不同长度桥梁结构的最大制动力率为0.2和有效制动力率为0.17。与实际桥梁紧急制动试验结果值对比符合较好。进一步提出了对重载货运列车紧急制动进行全过程动态描述的动力计算方法。为确定我国铁路桥梁制动力荷载提供了实桥试验研究结果和理论分析依据。